电磁学的国际单位制的基本物理量.docx

电磁学的国际单位制的基本物理量(2009-03-06 21:51:07) 编辑 摘 要：我们知道质量m在力学中是基本物理量，但是电量q在电磁学中却不是基本物理量，电流强度I是电磁学的基本物理量，这是为什么呢？另外，力学和电磁学究竟是什么关系呢？电磁学的各物理量之间的关系又怎样呢？大家知道我们是首先对电流强度I及其单位安培A作出明确的定义，然后其它电磁学量就可根据电流强度I这个基本量而导出。本文就是讨论电流强度I作为电学基本物理量的原因及其定义，以及其它电学物理量（例如：电量q、磁感B、磁场强度H、磁导率等）的定义与电流强度I定义的关系。关键词： 电量q 电流强度I 磁感强度B 安培定律 磁导率一、电流强度I作为电学基本物理量的原因及其单位安培（A）的定义 我们知道：引力相互作用、电磁相互作用是自然界中存在的四种基本相互作用中的两种，也是与我们生产、生活关系最为密切的两种基本相互作用。在本文中，笔者主要讨论电磁相互作用的基本理论和概念之间的密切联系，这种密切联系可以从电磁理论中各物理量的单位之间的关系中反映出来。当然讨论这个问题，应以牛顿引力理论作为基础理论。在现代机器工业和电气化时代，引力相互作用和电磁相互作用的关系更为密切，而且在现代工业中，它们二者的基础理论地位更是不容置疑的。显然，机械与电气的相互联系是密不可分的，因为现代机械的应用，包括其能源的供给（属于强电）以及机器的控制（即自动控制可认为属于弱电领域）都离不开电气化。引力基本理论及力学原理是现代工业的最基本的理论，而电气化更使得现代机器工业如虎添翼。电气基本原理即电磁理论与力学原理这些理论之间也愈显得关系更密切，彼此更是相互促进，使这些理论更加丰富和完善。如果我们较准确地把握了电磁基本概念、理论之间的内在密切联系，对于我们完整理解电磁理论、概念将有极大帮助，并为学习后续专业课提供深的理论基础。当然，对电磁理论和概念的内在联系的分析离不开牛顿引力理论和力学原理。我们在学习某理论时，由于关于它的概念或原理都是相当复杂的，因此绝不是记几条原理或几个数学公式就能较好地掌握该理论原理的，可以发现，物理学中，在描述关于某个问题的规律时，大多是既有文字叙述，又有数学表达式描述。文字描述实即定性分析，而数学表达式描述实即定量分析。实际这两者都很重要，定性的文字叙述可帮助我们准确理解某原理或定律的实质内容；而定量的数学分析则更严谨。例如：对安培定律，其文字叙述为：磁场对运动电荷有作用力，称为洛仑兹力；而若导线中存在电流（即有运动电荷），则磁场对导线中的运动电荷的洛仑兹力向侧向漂移，与晶格上正离子碰撞将力传给导线，这样载流导线在磁场中要受到磁力作用，通常把此力称作安培力，这就是安培定律。例如：一根长为L的直导线，当通过电流I时，在均匀磁场B中受到的安培力为F，则它们之间的关系，可用数学表达式（即定量分析）表示为：F=I L B电磁理论定律有很多，对这么多的定律、公式，要更准确地掌握它们，不能靠死记硬背，不能把这些定律、公式割开来理解，而应知道这些定律、公式实际都有哪些内在的密切联系，较准确了解它们之间的内在联系，对我们理解这些定律、应用这些定律都有很大的帮助。为节省篇幅，后叙将不再对某个定律的文字内容进行描述，而主要使用其定量的数学表达式来分析一些重要物理量的来龙去脉，包括某物理量作为国际单位制的基本物理量的原因。在国际单位制中，长度、质量、时间是力学的基本物理量，米、千克、秒是它们的基本单位。则根据牛顿第二定律 F=ma 可定义：1牛顿=1千克米/ 秒2 。即力学中质量m是基本物理量，但在电学中为什么不选择基本电荷量e或电量q作为基本物理量，却选择了电流强度I作为基本物理量呢？我想，这主要有以下原因：首先是因为在实际应用中电流强度I使用方便，也较容易理解；二是它易测量，电流表基本原理是利用M=NBSI ，与电磁力矩M e平衡的外力矩Mm可用弹簧产生，其单位安培A也易定义，这一点可利用法拉第电解定律来获得1A的完整定义；三是因为物体内的带电粒子是微观粒子，这些微观的带电粒子的数量非常庞大，当它们处于相对静止状态而非运动状态时我们是无法测量的，也就是说对处于静止状态的微观带电粒子没办法进行定量分析；另外电磁学中为什么选择电流强度I作为基本物理量，未选磁场强度H或磁感强度B作为基本物理量的原因是：磁是由电流产生的，一旦电流定义后，磁的一些概念和定义便迎刃而解，参见下面叙述。电流强度I的定义我们大家很熟悉，这里不再赘述。下面只讨论其单位安培（A）的定义。电流强度的单位安培(A)定义为：放在真空中的两条无限长直平行导线，各通过有相等的稳恒电流，当导线相距为1m时，若每一根导线每米长度受力为2107 牛顿时，则规定各导线中的电流强度为1安培（1A）。显然，电流强度单位安培(A)的定义是与力学量密切联系的，如必须是受力为2107牛顿。而电荷是量子化的，那么1安培到底等于每秒通过多少个基本电荷呢？这可通过电解试验得出结果（即法拉第电解试验）。为了求出1A=?个基本电荷e / 秒，设将上述定义中的1A的电流通过某化合价为+n价，摩尔质量为M千克/摩尔的电解液中，设经过时间t秒后，析出的该物质的质量为m千克，则据发生中和作用的正负电荷量应相等的原则，有公式：(m / M)*n=It据上述关系式，I=1A，给定个时间t1 ，得到一个质量为m1 ，于是便可求出1A是通过多少个基本电荷，经实验并通过计算可得1e =1.60 1019 C / 个，则1C= 1/(1.601019 )e = 6.251018 e ，这样，便从实验上定量定义了电流的单位安培，即：1A=1C/s=6.251018 e / s只是在实际应用中，并不是使用1A=6.25 1018 e / s, 但可以认为1A的定性定义与定量定义的易获得性，便是我们选择电流强度I作为基本物理量的根本原因，而基本单位则选择安培（A），且1A=1C / s=6.25 1018 e / s , 虽然，实际运用中，不使用1A=6.251018 e / s , 但据上述已经得出了电流强度的单位安培（A）的定量定义，而且已将宏观量与微观量联系起来了。从这一点上也可以看出化学与物理学的密切联系。从前述我们可以看出：正是由于电流强度I的定量定义的易获得性这个因素，是选择它作为电学基本物理量的主要原因，力学中选择质量m作为基本物理量之一也正是由于质量m的定量定义的易获得这个原因。而且由于磁的本质是电荷的运动即电流的本质，所以当电流强度I得到完整的定义后，关于磁的一些物理量（如磁感强度B，磁导率等等）的定义便迎刃而解，见下述。二、电磁学其它的一些导出物理量的定义这里主要叙述磁感应强度B和磁导率的定义，如下：则据安培定律F=I L B 可以定义磁感强度B的单位特斯拉（T），即 1特斯拉=1牛顿 /（安培 米）即 1 T = 1 N / (Am)米，牛顿，安培已在力学和电磁学中分别被定义，这样磁感强度的单位特斯拉（T）便有了明确的定义。据毕奥萨伐尔定律的实际应用，如无限长直导线周围的磁感B=0 I/(2丌R) 和螺线管内部的磁感B=0NI/L ，而磁感B的单位T和电流强度I的单位A均已被定义，这样我们可利用B=0 NI / L 来定义出真空磁导率0 ，从而得到各种磁介质的磁导率=r0，r 是相对磁导率。而对某一种磁介质（真空除外），磁感B一般并不是随磁场强度H（H= nI= N I/ L)成正比变化的，这便是某种磁介质的磁导率不是一个常数的原因。上述H是磁场强度，H=nI=NI / L，单位是安匝 / 米。